Новое исследование переворачивает представления о составе земного ядра

Ученые сделали неожиданное открытие, которое меняет представления о формировании и составе ядра Земли. Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Nature Communications, ключевую роль в процессе кристаллизации внутреннего ядра планеты мог играть углерод, содержание которого оказалось значительно выше, чем предполагалось ранее.

Внутреннее твердое ядро Земли, как считается, состоит в основном из железа и продолжает расти по мере остывания окружающего его расплавленного вещества. Однако этот процесс многие десятилетия оставался загадкой для ученых. Формирование твердого ядра требует не просто охлаждения, но и зависит от точного химического состава расплава. Подобно тому как для образования градины в облаках вода должна сильно переохладиться, прежде чем кристаллизоваться в лед, железо в ядре должно было переохладиться на 800–1000 °C ниже своей обычной температуры замерзания, чтобы стать твердым. Но геологические данные свидетельствуют, что ядро Земли никогда не остывало настолько сильно, так как это привело бы к катастрофическому росту ядра и коллапсу магнитного поля планеты.

Чтобы разрешить это противоречие, группа исследователей из Университета Лидса, Оксфордского университета и Университетского колледжа Лондона провела компьютерное моделирование. Они изучили, как такие элементы, как углерод, кислород, сера и кремний, которые, как известно, присутствуют в мантии, могли повлиять на кристаллизацию, если бы они находились в ядре. Смоделировав поведение около 100 000 атомов в условиях, аналогичных условиям внутреннего ядра, ученые сосредоточились на процессе «зарождения» — моменте, когда формируются первые кристаллы.

Результаты показали, что такие элементы, как кремний и сера, напротив, замедляли замерзание и требовали еще большего переохлаждения. Углерод же резко ускорял процесс кристаллизации. Моделирование показало, что при содержании углерода в 3,8% температура формирования внутреннего ядра идеально соответствовала наблюдаемым данным, требуя переохлаждения лишь на 266 °C. Ни одна другая комбинация элементов не смогла воспроизвести наблюдаемые размеры ядра и условия его зарождения. Это открытие не только объясняет, как ядро могло кристаллизоваться без экстремального переохлаждения, но и рационально объясняет, почему ядро менее плотное, чем чистое железо.

Как отметили авторы работы, это исследование проливает свет на химический состав региона, который человечество никогда не сможет достичь напрямую, и может помочь в разрешении давних споров о возрасте внутреннего ядра Земли, который, по разным оценкам, составляет от полумиллиарда до более чем двух миллиардов лет.